(57)【要約】      （修正有）【課題】短時間に、孤立線パターンのベスト・フォーカスを測定することができる露光方法およびレンズ収差補正方法を提供する。【解決手段】単一の直線状パターンの開口部を有し直線状パターンの周辺部分が遮光部であるマスクを使用して、現像前の感光基板に直線状パターンを露光する露光工程と、マスクの直線状パターンの長手方向に対し垂直な方向に感光基板をマスクと相対的に平行にずらして露光工程を順次複数回行う第１の繰り返し工程と、第１の繰り返し工程の後ステージ高さを順次複数回変更して第１の繰り返し工程を繰り返す第２の繰り返す工程とを含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光装置のベスト・フォーカスを求めるための複数本の直線状パターンを感光基板に形成する露光装置の露光方法であって、
単一の直線状パターンの開口部を有し前記直線状パターンの周辺部分が遮光部であるマスクを使用して、現像前の前記感光基板に前記直線状パターンを露光する露光工程と、前記マスクの前記直線状パターンの長手方向に対し垂直な方向に前記感光基板を前記マスクと相対的に平行にずらして前記露光工程を順次複数回行う第１の繰り返し工程と、前記第１の繰り返し工程の後ステージ高さを順次複数回変更して前記第１の繰り返し工程を繰り返す第２の繰り返す工程とを含む露光方法。
【請求項２】
遮光部は開口部の少なくとも同程度以上の面積を有する請求項１記載の露光方法。
【請求項３】
マスクは直線状パターンを複数個有する請求項１記載の露光方法。
【請求項４】
感光基板上に露光された複数本の直線状パターンの間隔は等間隔である請求項1記載の露光方法。
【請求項５】
請求項１記載の露光方法によりウェハに露光し、前記ウェハを現像後前記ウェハ上に形成された複数本の直線状パターンをレーザ光でスキャンし、その回折光強度から、露光装置のレンズの中心部および周辺部の位置における、べスト・フォーカスデータを取得する工程と、
前記レンズの中心部および周辺部の前記べスト・フォーカスデータから前記レンズの収差を算出する工程と、
前記収差のデータを元に前記レンズのレンズ収差を補正する工程とを含み、補正されたレンズを用いてウェハを露光する露光方法。
【請求項６】
請求項１記載の露光方法に基づいて製品用のマスク上の孤立線パターンのベストフォーカス値を測定し前記ベストフォーカス値と密集線パターンのベストフォーカス値から前記孤立線パターンおよび前記密集線パターンのフォーカス値を設定する工程と、前記孤立線パターンおよび前記密集線パターンの前記フォーカス値から前記製品用のマスク上の孤立線パターンおよび密集線パターン比率に応じて装置の設定フォーカス値を決定する工程とを含み、前記設定フォーカス値でウェハを露光する露光方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体露光装置等の露光装置の露光方法に関し、特に半導体素子の製造工程、例えば半導体ウェハなどの感光基板上に素子の回路パターンを形成するリソグラフィ工程において、縮小投影型露光装置（ステッパ）が、最適露光条件で、マスクのパターンをステップ・アンド・リピート方式で感光基板上に露光するための露光装置の最適焦点位置（ベスト・フォーカス）決定方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、VLSI等の半導体集積回路の製造工程、特にウェハ上に回路パターンを露光するリソグラフィ工程では、主にステップ・アンド・リピート方式によるステッパを用い、マスク例えばレチクル上に形成された半導体素子の回路パターンを、縮小投影レンズを介して順次ウェハ上に露光し、ウェハ上に半導体素子の回路パターンを形成する。この露光動作において、縮小投影レンズの焦点位置（ベスト・フォーカス）を最適位置に調整しないと、レチクルに描かれた回路パターンの投影像がウェハ上で正確に結像せず、いわゆる解像不良というピンボケしたパターンが形成され、求める特性を満足する半導体素子を得ることができなくなる。
【０００３】
そこで、例えば回路パターンの最小線幅より小さいパターンを含む線幅の異なる複数の矩形状のパターンが形成されたレチクルを、1ショット毎に露光条件（投影レンズの焦点位置、露光量）を順次変えてウェハ上に露光し、最適露光条件を確認するテスト露光作業が行われる。最適露光条件の確認方法としては、現像処理が施されたウェハ上に形成されたレジスト・パターンの線幅を、走査型電子顕微鏡（SEM）によるSEM測長法、テレビカメラ(ITV)による画像処理法、あるいはスポット光をレジスト・パターンに照射してその散乱光を検出する方法等を用いて計測される。この線幅からレジスト・パターンの最適形成条件が決定され、最適形成条件に応じて投影レンズの焦点位置（ベスト・フォーカス）や露光量等、ステッパの各露光条件が設定される。このように露光条件が設定されたステッパは、処理を開始して最適露光条件でレチクル上に形成された半導体回路パターンを順次ウェハ上に転写する。
【０００４】
ところが、このような露光条件確認方法においてSEMを用いた場合、SEM自体が高価であり、またレジスト・パターンの線幅計測に時間がかかるという問題があった。ITVあるいはスポット光を用いた線幅検出方法では、転写すべき回路パターンの線幅がサブ・ミクロン程度になると、線幅の検出が困難となる上に、露光条件の変化に伴うレジスト・パターンの線幅の変化量が少ないために測定誤差が大きく、正確に最適露光条件を設定できないという問題もあった。さらに、上記した計測精度の低下等により、検出した線幅のデータ処理に時間がかかるという問題もあった。
【０００５】
近年、上記のような問題点に鑑み、レジスト・パターンの測定精度の低下などを防止して、最適形成条件を高精度で、しかも短時間に算出でき、ステッパのセットアップタイムを短縮することが可能な露光方法が提案されている(例えば、特許文献１参照)。これは、例えばステッパに搭載されているアライメント光学系を使用してウェハ上に形成されたレジスト・パターンの長さを測定することによりベスト・フォーカス値を算出するものである。
【０００６】
アライメント精度測定用の一方法にLSA（LASER Step Alignment）法がある。これはウェハ上に形成された回折格子パターンを、スリット状のHe-Neレーザ・ビームでスキャンし、このときの回折光強度からアライメント精度を評価する方法である。このLSA光学系を用いて、ベスト・フォーカス位置を自動計測する方法としてSMP（Self Measurement Program）法がある。この方法で用いられるフォーカス自動計測パターンとこれを用いた計測原理について図7を用いて説明する。
【０００７】
フォーカス自動計測パターンは、図７（ａ）に示すように、例えばY方向に一列に並んだ5本の楔状のレジスト・パターン１０１からなる。ベスト・フォーカス位置の決定に際しては、図７（ａ）に示したように上記フォーカス自動計測パターンをスリット状のレーザ・ビーム１０７で矢印方向にスキャンする。スキャンされたレジストパターン１０１からは、図７（ｂ）に示すようにレーザ入射光１０８の波長とパターンピッチに応じた角度にレーザ回折光１０９が発生する。その回折光１０９をステッパのアライメント光学系等で検出し、その回折光強度からパターン長Lを測定する（図７（ａ））。
【０００８】
このパターン長Lはフォーカス位置によって変化する。その様子を図６に示す。図６は、自動計測パターンのフォーカス特性を示す図である。図６（ａ）には、デフォーカス時のパターンの模式図を示し、図６（ｂ）には、フォーカスとパターン長との関係を示す。レジストパターン１０１のパターン長Lが最大となるフォーカス位置がベスト・フォーカス位置であり、この位置よりプラス側、マイナス側いずれの方向へデフォーカス量が増加しても、パターン長は減少し、デフォーカス量が一定値を過ぎると解像不能となる。
【０００９】
SMPでは、各フォーカス位置で得られた回折光強度を電気信号に変換してパターン長を求め、このパターン長をフォーカス値に対してプロットしたフォーカス−パターン長曲線を作成し、ベスト・フォーカス位置を算出する。実際には、上記フォーカス自動計測パターンがX方向とＹ方向の両パターンについて得られた曲線からそれぞれ最大パターン長を与えるフォーカス位置を演算で求め、これら両フォーカス位置の平均値をベスト・フォーカス位置としている。
【特許文献１】特開平1-187817号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、このSMPでは、回折光を検知する必要性からパターンとしては密集線（ライン・アンド・スペース、以下L/Sという）しか使用できないという欠点がある。近年、微細化が進むにつれ、レチクル上のパターン種によりベスト・フォーカス値が異なる現象が発生している。例をあげて説明すると、図８に示すように、繰り返し形成されたレジストからなる密パターン１０１ａと孤立パターン１０１ｂとでは縮小投影レンズ内を通る光路に差があることが知られている。そのため、結果としてベスト・フォーカス値が異なってしまう（図8）。孤立パターンやL/Sパターンは、求める半導体回路の特性に応じてゲート電極形成時やアルミ配線形成時等に使用される。このため、従来のL/Sでのフォーカス算出方法のみでは不十分であり、孤立線パターンでのベスト・フォーカス算出が必要となっている。しかしながら、SEM等を使用した場合には測定に時間がかかり、また簡便なSMPではその原理上、L/Sのパターンしか検出できないという欠点がある。
【００１１】
また、製品処理においてはテスト露光を実施しなければマスクによってベスト・フォーカス値を微調整することが不可能であった。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、半導体露光装置のセットアップ時において、露光装置のベスト・フォーカスを算出する場合に、短時間に測定でき、孤立線パターンのベスト・フォーカスを測定することができる露光方法およびレンズ収差補正方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の露光方法は、露光装置のベスト・フォーカスを求めるための複数本の直線状パターンを感光基板に形成する露光装置の露光方法であって、
単一の直線状パターンの開口部を有し直線状パターンの周辺部分が遮光部であるマスクを使用して、現像前の感光基板に直線状パターンを露光する露光工程と、マスクの直線状パターンの長手方向に対し垂直な方向に感光基板をマスクと相対的に平行にずらして露光工程を順次複数回行う第１の繰り返し工程と、第１の繰り返し工程の後ステージ高さを順次複数回変更して第１の繰り返し工程を繰り返す第２の繰り返す工程とを含むものである。
【００１４】
上記構成において、遮光部は開口部の少なくとも同程度以上の面積を有する。
【００１５】
上記構成において、マスクは直線状パターンを複数個有する。
【００１６】
上記構成において、感光基板上に露光された複数本の直線状パターンの間隔は等間隔である。
【００１７】
本発明の別の露光方法は、上記露光方法によりウェハに露光し、前記ウェハを現像後前記ウェハ上に形成された複数本の直線状パターンをレーザ光でスキャンし、その回折光強度から、露光装置のレンズの中心部および周辺部の位置における、べスト・フォーカスデータを取得する工程と、
前記レンズの中心部および周辺部の前記べスト・フォーカスデータから前記レンズの収差を算出する工程と、
前記収差のデータを元に前記レンズのレンズ収差を補正する工程とを含み、補正されたレンズを用いてウェハを露光するものである。
【００１８】
本発明の別の露光方法は、露光方法に基づいて製品用のマスク上の孤立線パターンのベストフォーカス値を測定し前記ベストフォーカス値と密集線パターンのベストフォーカス値から前記孤立線パターンおよび前記密集線パターンのフォーカス値を設定する工程と、前記孤立線パターンおよび前記密集線パターンの前記フォーカス値から前記製品用のマスク上の孤立線パターンおよび密集線パターン比率に応じて装置の設定フォーカス値を決定する工程とを含み、前記設定フォーカス値でウェハを露光するものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の露光方法によれば、半導体露光装置（ステッパ）を使用して、レチクル上に配置された単一（孤立線）の直線状パターンを、レジスト塗布機等を用いて作成された感光基板例えばウェハ上に、ウェハが置かれたステージをレチクル上の直線状パターンの長手方向に対し垂直方向へ水平方向に等間隔で移動させることでパターン転写位置を順次ずらして露光し、その後ステージ高さを変更するといった一連の動作を繰り返すものである。そして、全ての露光が終了した後、現像機等を用いて現像することで、レジスト・パターンとしては複数本の直線状パターンを形成するものである。この露光方法で形成されたレジスト・パターンを、例えばステッパのアライメント光学系に搭載されたレーザ等を使用してレーザスキャンし、その回折光強度を読み取る受光素子を使用することにより孤立線パターンの最適なベスト・フォーカス位置を決定する。
【００２０】
本発明によれば、露光されたパターンは孤立線であるため、孤立線パターンのベスト・フォーカス算出が可能となる。また、製品の孤立線と密集線のパターン比率に応じて、露光装置のフォーカス値を、孤立線のベスト・フォーカス値、密集線のベスト・フォーカス値、あるいは孤立線のベスト・フォーカスと密集線のベスト・フォーカスの間とすることにより、製品処理に最適なフォーカス値を設定することができる。
【００２１】
よって、露光装置のセットアップ時に孤立線パターン像の形成に最適な露光処理条件（ベスト・フォーカス）を従来の簡便なSMP等のようなレーザ回折光を使用したパターン線幅検出方法により、孤立線パターンでのベスト・フォーカス算出が可能となる。その結果ステッパのセットアップ時間を短縮でき、露光条件を高精度に制御することが可能な露光装置の露光方法を提供できる。
【００２２】
本発明の別の露光方法によれば、レンズ収差の補正が可能である。
【００２３】
本発明の別の露光方法によれば、密集線と孤立線のパターンを用いることにより、製品処理前のテスト露光を省略して、高精度でステッパの最適露光条件を設定し、ウェハ上にマスクのパターンを最適に転写する露光方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第1の実施の形態）
以下、本発明の第1の実施形態の露光方法について図１から図３を参照しながら説明する。
【００２５】
図１は本発明の第１の実施形態におけるレーザ回折光を使用したパターン線幅検出方法による孤立線パターンの露光方法のフローチャート、図２は本発明の第１の実施形態における露光方法の概念図である。図１に示すように本発明のレーザ回折光を使用したパターン線幅検出方法による孤立線パターンのフォーカス算出方法では、まず最初にステージ高さ条件（フォーカス条件）と孤立線露光本数を指定する（ステップ11）。次に指定されたステージ高さで（ステップ12）、マスク例えばレチクル１０３上に配置された単一の直線状パターン１０２をウェハ１０５上に縮小投影レンズ１０４を通して露光する（ステップ13）。設定された本数分孤立線が露光されていなければ（ステップ14）、ウェハステージをパターン長手方向に対し垂直な方向へ水平にずらし（ステップ15）、さらに単一の直線状パターンを露光する（ステップ１３）。水平方向にずらす量は任意であり、パターン同士が重なっても回折光が検出できる範囲であれば問題はない。しかしながら繰り返し露光されるパターンの間隔は等間隔であることがより好ましい。この動作を少なくとも2回以上繰り返した後、設定されたステージ高さ条件で全て露光されていなければ（ステップ16）、ステージ高さ（フォーカス位置）を変更する（ステップ12）。フォーカス位置変更後は、ウェハ上に残っている未感光部分に単一の直線状パターンを露光後、ウェハステージをパターン長手方向に対し垂直な方向へ水平にずらし、さらに単一の直線状パターンを露光するといった一連の動作を繰り返す（ステップ１３〜１５）。全てのフォーカス位置に対して露光が終了した後（ステップ１６）、ウェハを現像する（ステップ17）。現像されたウェハ１０５上には図２に示すように直線状のレジストパターン１０１が複数本等間隔で形成されており、これを従来のSMP等のようなレーザ回折光を使用したパターン線幅検出方法を使用し、回折光を検出して最適なフォーカス位置を求める。
【００２６】
レジストパターン１０１を形成するためのパターン１０２は、レチクル１０３上に配置された直線状の開口部であり、このパターン１０２の周辺部は遮光部１０３ａとなっている。周辺部の遮光部１０３ａは、パターン１０２を任意の個数分ずらして配置できるだけの領域を有している。遮光部１０３ａは、パターン１０２の面積よりも大きいことが望ましい。パターン１０２とその周辺部の遮光部１０３ａ以外の領域は、開口部でも遮光部でも構わない。これにより、ウェハ１０５を水平方向へずらして露光した場合でも常にレジストの未感光部に露光できるため、複数パターンからなるレジストパターン１０１の形成が可能となる。
【００２７】
図３（ａ）はポジ型レジストでのレジストパターン、図３（ｂ）はネガ型レジストでのレジストパターンである。レジストはポジ型、ネガ型どちらのタイプであっても、形成されるレジストパターン１０１の凹凸は変わるが繰り返しパターンは形成される。よって回折光の発生が可能となるので、レジストはポジ型、ネガ型どちらのタイプであっても問題はない。
【００２８】
レチクル１０３上に配置された単一の直線状パターン１０２の配置はレチクル中心のみだけではなく、どこに配置されていてもよい。また、パターン長手方向の配置方向はレチクル１０３に対して縦・横方向のみならず、どの方向に向いていてもよい。ただし、レチクル中心（縮小投影レンズの中心）のみならず、レチクル１０３のパターン１０２が配置されている位置におけるベスト・フォーカスを求める場合、露光後にウェハ１０５を水平方向にずらす方向はパターン１０２の長手方向に対し垂直な方向にする必要がある。この方法で、縮小投影レンズの中心やその周辺部のフォーカスデータを取得することで、縮小投影レンズの収差（像面湾曲、像面傾斜、非点収差等）を検出することも可能である。
【００２９】
図４に縮小投影レンズの収差修正のフローチャートを示す。図４に示したように、本発明を使用して、レチクル１０３内の複数の位置において孤立線パターンを図１に示すフローチャートにしたがって図２に示すように露光し（ステップ22）、そのパターンを図７において説明したように計測する（ステップ23）。その後、図６において説明したように縮小投影レンズのベスト・フォーカスを算出する（ステップ24）。得られたデータを元に縮小投影レンズの収差を算出する（ステップ25）。レンズの収差が装置管理規格を超えた場合（ステップ26）には装置を修正する（ステップ27）。装置修正後、再度収差を測定し、管理規格内であることを確認する。この作業を実施することにより装置状態をより良い状態に維持することが可能である。
【００３０】
例を挙げて説明すると、レンズ収差のひとつである像面湾曲はレンズ中心部のベスト・フォーカス値とレンズ周辺部のベスト・フォーカス値の差で表される。管理規格値を、例えば±0.25um以内とした場合、像面湾曲値がこの規格内に入るように装置の状態を、例えばレンズ室内の圧力制御やレンズ位置の調整などにより修正を実施し、その後像面湾曲値を確認することが挙げられる。
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施形態について図５を参照しながら説明する。上述したように、繰り返しパターンであるL/Sと孤立線パターンとでは縮小投影レンズ内を通る光路に差があることが知られている。そのため、結果としてL/Sと孤立線パターンとではベスト・フォーカス値が異なる（図8）。孤立線パターンやL/Sパターンは、求める半導体回路の特性に応じてゲート電極形成時やアルミ配線形成時等に使用され、製品マスクにより、そのパターン比率が異なる。そこで、予め孤立線と密集線のベスト・フォーカス値を求めておき、製品レチクル上の孤立線と密集線のパターン比率に応じて、設定フォーカス値を微調整する露光方法を提案する。
【００３１】
図５に孤立線と密集線のベスト・フォーカス値を使用して装置設定フォーカス値を求めるためのフローチャートを示す。まず最初に、通常のSMP法による密集線パターンのベスト・フォーカス算出法と本発明による孤立線パターンのベスト・フォーカス算出法を併用し、密集線パターンと孤立線パターンそれぞれのベスト・フォーカス値を測定し（ステップ31）、装置の設定フォーカス値を算出しておく（ステップ32）。次に、処理する製品レチクルの密集線と孤立線パターンの比率に応じて（ステップ33）、装置の設定フォーカス値を決定する（ステップ34）。例を挙げて説明すると、例えば製品レチクルの密集線と孤立線パターンの比率が1：1であった場合、設定フォーカス値を密集線パターンのフォーカス値と孤立線パターンのフォーカス値の中間に設定するなどの方法が挙げられる。もちろん、経験的に得られた重み付けによる設定を実施してもよいことはもちろんである。
【００３２】
その後、製品処理を開始する（ステップ35）。
【００３３】
製品レチクル上の孤立線と密集線のパターン比率に応じて変更される装置の設定フォーカス値は、孤立線のベスト・フォーカス値、密集線のベスト・フォーカス値、あるいは孤立線のベスト・フォーカスと密集線のベスト・フォーカスの間が望ましいが、この値に経験的に得られたプロセス的なオフセットを加減算しても構わない。これにより製品処理前のテスト露光を省略して、高精度でステッパの最適露光条件を設定し、ウェハ上にマスクのパターンを最適に転写する露光方法を提供できる。
【００３４】
尚、今までに説明してきた内容については縮小投影型露光装置（ステッパ）を例に説明したが、レンズスキャニング方式ステッパ（スキャナ）においても有効であり、また露光装置の露光光源の波長（例えば、g線、i線、KrF、ArF等）に依存しないということは言うまでも無い。
【００３５】
なお、レチクル上の直線状パターンはレチクル上であれば位置や方向に制限がないのみならず、干渉しない範囲で複数個配置されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の露光方法等は高精度、短時間でのステッパ等の最適露光条件を設定し、ステッパのセットアップ時間を短縮することに有用である。また、製品のマスク・パターンに応じてベスト・フォーカス値を最適化することで、製品の歩留り向上にも有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】孤立線パターンの露光フローチャートである。
【図２】孤立線パターンの露光概念図である。
【図３】レジスト種によるパターン形状の説明図である。
【図４】縮小投影レンズの収差修正のフローチャートである。
【図５】装置フォーカス決定のフローチャートである。
【図６】（ａ）はフォーカス時およびデフォーカス時のパターン模式図、（ｂ）は自動計測パターンのフォーカス特性図である。
【図７】（ａ）はフォーカス自動計測パターンと計測原理の説明図、（ｂ）は回折光発生原理の説明図である。
【図８】（ａ）はＬ／Ｓのフォーカス特性を示す図、（ｂ）は孤立線（Iso）のフォーカス特性を示す図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０１  レジスト・パターン
１０１ａ  密パターン
１０１ｂ  孤立パターン
１０２  パターン
１０３  レチクル
１０４  縮小投影レンズ
１０５  ウェハ
１０７  レーザビーム
１０８  レーザ入射光
１０９  レーザ回折光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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